配列

詳しい説明は後にするとして、まずは配列がどんなものかについてざっくりと見てみよう。

実験データーがあってそれの処理 (計算) をしたいとする。 そのデーターが例えば 100 個あったとして、プログラムを書く際に、

data1 = 0.10
data2 = 1.2
data3 = 3.2
  :
  :
data100 = 1.1

と書いたとしよう。 もしこの和を求めようと思ったら、

summation = data1 + data2 + (省略) + data100

と書かなくてはならない。大変面倒である。 もし、追加のデーターが得られたとしたら、さらに、

data101 = 0.92
data102 = 5.8
data103 = 7.2
  :
  :

と追加した上で、 summation を求める部分も変更しなくてはならない。 これはただの和なのでまだ楽であるが、より複雑な計算 (例えば分散の計算) であればもっと面倒になるであろう。 手で計算した方がよっぽど早いということにもなりかねない。

そこで、配列の登場である。

data = [0.10, 1.2, 3.2, ...]

のように書く。 このとき各データーは data[0], data[1], … として使うことができる。

上の和を求めるプログラムは、

summation = data[0] + data[1] + (省略) + data[99]

と書き直すこともできるが、もっと簡単に、

summation = 0
for i in range(len(data)):
    summation += data[i]

と書くことができる (len() についてはこの後で述べる)。

データーが増えたとしても、 data = ... の部分だけ変更すれば良く、和を求める部分は一切変更しなくてよい。 プログラムも短くなり、従って見通しも良くなる。

このように、複数のデーター (値) をまとめたものが配列である。

なお、この形式は Python では リスト と呼ばれるのであるが、この文書では「配列」で統一する。

また、上のプログラムは Python ではもう少しスマートな書きかたができる。 それについては後述する。

では配列について詳しく見ていくことにしよう。

data = [10, 20, 30]

data = [10, 20, 30]
print(data)

data = [10, 20, 30]
print(data[0])
print(data[1])
print(data[2])

配列の要素数のことをしばしば「長さ」という。 配列の長さは、 len(配列名) で取得できる。 例えば、

data = [1, 2, 5]
print(len(data))

を実行すると 3 が表示される。

少しややこしいが、 len(配列) は配列の 要素の個数 である。 一方、配列の 最後の添字 は len(配列) - 1 であることに注意されたい。

ある配列の総和を計算したい場合は、

data = [1.2, 3, 5, 1.1]
summation = 0

for i in range(len(data)):
    summation += data[i]

と書ける。

プログラム中にデーターの個数を直接書いてはいけない:

for i in range(4):    # ! 悪い書きかた !
    summation += data[i]

これは文法的には間違っていないが、データーの要素数が直接プログラム内に書かれており (このような書き方をハードコーディングという)、バグの温床になる。 データーが増えたとき、最小限の変更で済むように、この場合はデーター のみ を変更すれば良いようにしておくべきである。

data = [10, 20, 30]
print(data)
print(len(data))

for i in range(len(data)):
    print("data[", i, "] =", data[i])

data = [10, 20, 30]
print(data)
print(len(data))

summation = 0
for i in range(len(data)):
    summation += data[i]
print(summation)

これまでは、配列の要素は常に添字によって指定してきた。 これは配列と添字の関係に慣れてもらいたかったからである。

しかし、Python ではもう少しすっきりした書きかたができる。

data = [10, 20, 30]
print(data)
print(len(data))

summation = 0
for elem in data:
    summation += elem
print(summation)

このように書くと for 文は data の要素を elem に入れてループを順次実行する。

さきほどの例と比較してみると、

for i in range(len(data)):
    summation += data[i]

が、

for elem in data:
    summation += elem

となっている。 変数 (i) が減っており、記述量も減っている。

こちらがより Python 的な書きかたである。

なお、添字ではなく要素であるということを明確にするために、 for での変数を (i ではなく) elem と書いた。 文法的には i のままでも問題ないが、 通常 i は (0,) 1, 2, 3, … のような「数える」ための整数値 (ループカウンターと呼ぶことがある) に使われるので、ここでは避けるべきである。

data = [10, 20, 30]

for i in range(len(data)):
    print(data[i])

data = [10, 20, 30]

for elem in data:
    print(elem)

すでに説明したように、配列を使用する際には、

data = [1, 2, 3]

のように書く。

しかし、 data を定義する 前 に、

data[0] = 1.2

とはできない。

プログラム中で配列の要素を追加したい場合は、

data = []        # data は(空の)配列である
data.append(10)

のように、 配列.append(要素) と書く。 これはこの配列 (の最後) に要素を追加する、という意味である。

このときも、

data = []
data[0] = 10    # エラー!

とは書けないので注意すること。

つまり:

• すでに存在する配列の要素の書き換えは data[0] = 1.2 などとできる

• まだ存在しない配列の要素は特別な方法 (append() など¹) でしか追加できない

append() はすでに定義してある配列にも使える。 つまり、

data = [10, 20, 30]
data.append(40)

print(data)

とすると、 [10, 20, 30, 40] が表示される。

data = []

for i in range(10):
    data.append(i * 10)

print(data)

少々高度な内容になるが、ひっかかりやすい点なので説明しておく。 最初は流し読み程度でよい。

「配列のコピー」と言う場合には注意が必要である。 ある配列のコピーを作りたくて次のように書くと、おそらく期待した結果にならない。

array1 = [1, 2, 3]
array2 = array1

このとき、 array1 の最初の要素を書きかえたいとする。

array1[0] = 2

この時何が起こるか見てみよう。

array1 = [1, 2, 3]
array2 = array1

print("Initial values")
print(array1)
print(array2)

array1[0] = 2

print("After change")
print(array1)
print(array2)

このとき、 array1 のみが変更されること、つまり

[2, 2, 3]
[1, 2, 3]

という結果が得られることを期待するであろうが、実際には array2 まで変更されてしまっている。 何が起こっているのだろうか。

これはホワイトボードで説明すると、配列用のホワイトボードについている「名前」にもう一つの名前を付けていることになる²。

従って、配列をコピーするには、まず新しい配列を作成し、要素を一つずつコピーする、という手順が必要になる。 実際に配列のコピーを作成する方法にはいくつかあるが、ここでは最も素朴な方法のみ紹介する。

array1 = [1, 2, 3]
array2 = []

for elem in array1:
    array2.append(elem)

# または:
# for i in range(len(array1)):
#     array2.append(array1[i])

array1 = [1, 2, 3]
array2 = []

for elem in array1:
    array2.append(elem)

# または:
# for i in range(len(array1)):
#     array2.append(array1[i])

print("Initial values")
print(array1)
print(array2)

array1[0] = 2

print("After change")
print(array1)
print(array2)

Python では関数の引数や戻り値に配列を使うことができる。

次は配列を引数として受けとる関数の例である (返り値は通常の数値)。

def sum_array(arr):
    summation = 0
    for i in range(len(arr)):
        summation += arr[i]
    return summation

data = [10, 20, 30]
print(sum_array(data))

さて、これまでのまとめとして、次の練習問題をやってみよう。 少なくとも一つ目の問題は実際にやってみて欲しい。

ここでは配列について学んだ。

• 配列とはデーターのまとまりである

• 配列は data = [1, 2, 3] などで定義できる

• 各要素は添字によって指定できる

• 配列の添字は 0 から始まる

• 配列の要素数は len(配列) として取得できる